数字灰度光刻成像物镜设计

　　0　引言

　　数字灰度光刻技术采用了德州仪器的动态线性规划(Dynamic Linear Programming,DLP)技术的核心元件-反射光调制器(Digital Micro-mirrorDevice,DMD)代替传统光刻掩模,实现了灰度曝光,且掩模图形可以实时产生实时修改.在制作表面浮雕微结构时通过一次曝光就可以完成二元套刻方法多次才能完成的工艺过程,不但能大幅降低生产成本,而且能产生近似连续变化的表面微结构.

　　DMD具有光学效率高、响应时间快、完全计算机并行控制等优点,已经广泛应用于高清显示、全息摄影、三维显示等领域.DMD芯片由数十万计的微镜组成,每片微镜面积约为16×16μm,微镜之间存在约为1μm的间隔,微镜中心有约为2×2μm的小孔,其开口率约为74%.正是微镜之间的间隔在成像时使得像成栅格形状.这种现象被称为栅格效应,这种效应严重影响了光刻图形的质量.

　　为消除DMD成像时的栅格效应,在研究DMD成像原理的基础上,发现通过选择适当的光刻物镜数值孔径和放大倍率可以有效消除成像栅格.模拟计算得出当数值孔径为0.3,放大倍率β=-1/10~-1/20时,DMD成像的栅格效应可以得到明显的抑制,成像质量明显提高[1].

　　封装好的DMD芯片仅有17.4 mm×13.1 mm大小,对角线仅约为22 mm,其对成像物镜视场要求较小,而现有的光刻物镜视场一般远大于所需的视场,由于多数是为投射式掩模设计的,口径大且工作距离小.数字灰度光刻的虚拟掩模采用的是反射式光器件DMD,入射光和物镜光轴仅有10°的夹角,过大的物镜口径和较小的前工作距离会使得光路安排非常困难.而且现有的光刻物镜通常加工、校装准确度要求很高,比较昂贵,即使能应用到数字灰度光刻中也会造成一定的资源浪费.为进一步开展数字灰度光刻技术的相关研究,有效控制科研成本以及推动数字灰度光刻的实用化,本文设计了一种能适合DMD工作方式,并能够消除栅格效应且加工制作成本较低的光刻物镜.

　　1　数字灰度光刻对物镜参量、结构的要求

　　数字灰度光刻技术所采用的虚拟掩模-DMD在成像时以像素为单位对光进行调制,DMD上每个微反射镜对应一个像素,现有DMD通常有1 024×768片微镜组成.投影曝光时每次可以加工面积约为S=(1 024×17)×(768×17)|β|μm2,在不计光刻物镜像差及衍射受限等因素时,有效分辨率为:RE=16×|β|.综合考虑工作效率、有效分辨率,以及消除栅格效应对物镜的数值孔径NA、放大倍率β的要求,确定物镜的数值孔径NA=0.3,放大倍率β=-1/10,物方半视场W=11 mm.

　　DMD工作时各微镜会发生偏转[2],光刻曝光时会一直处于物方离焦状态.另外采用DMD作为数字灰度掩模进行光刻时,为扩大曝光面积、提高工作效率需要采用步进或扫描曝光的方法[3],但扫描或步进时会受到工作台平整度、移动准确度、对准准确度、抗蚀剂表面平整度等影响度使曝光过程中像面不可避免地受到较大的像方离焦的影响.离焦会使得系统存在放大倍率差,这会严重影响步进或扫描曝光的光刻质量.因此需要选择双远心结构来避免产生离焦[4-5],如图1.